沈 武

隨著生活水平的提高，人們對(duì)建筑的功能、安全性、可持續(xù)性提出更高的要求，建筑行業(yè)面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)建筑材料和結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以完全滿足這些要求，智能建筑材料和新型建筑結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了新途徑。

智能建筑材料及新型建筑結(jié)構(gòu)，在提升建筑性能、降低能耗、增強(qiáng)安全性等方面具有巨大的潛力[2]。本文將從應(yīng)用角度深入探討智能建筑材料與新型建筑結(jié)構(gòu)在工程建筑中的創(chuàng)新應(yīng)用。

1 智能建筑材料的應(yīng)用

1.1 可調(diào)光材料

可調(diào)光材料能夠根據(jù)光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)透光度的材料，已廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。這種材料可以根據(jù)室外光線的強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)整透光度，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光線的最優(yōu)化利用。

本文將以SageGlass 為例，分析其在明尼蘇達(dá)科學(xué)博物館（Science Museum of Minnesota）中的應(yīng)用。

1）背景。明尼蘇達(dá)科學(xué)博物館位于美國(guó)明尼蘇達(dá)州圣保羅市，是一座集科學(xué)、教育和娛樂(lè)于一體的博物館。這座博物館致力于向公眾傳遞科學(xué)知識(shí)，同時(shí)也注重為游客提供優(yōu)質(zhì)的體驗(yàn)。

2）挑戰(zhàn)。博物館內(nèi)部空間需要兼顧室內(nèi)采光和視野，以創(chuàng)造舒適的參觀環(huán)境。然而，隨著太陽(yáng)光線的變化，室內(nèi)的光照強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，可能會(huì)影響游客的體驗(yàn)。因此，需要設(shè)計(jì)一種智能解決方案來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)光線，同時(shí)保持良好的視野。

3）解決方案。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Science Museum of Minnesota 選擇了SageGlass。SageGlass 是一種智能可調(diào)光玻璃，可以根據(jù)光照強(qiáng)度和溫度自動(dòng)調(diào)整透光度。它通過(guò)集成在玻璃中的微細(xì)電子元件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。

4）工作原理。SageGlass 內(nèi)置了傳感器和控制系統(tǒng)，能夠監(jiān)測(cè)室外光照強(qiáng)度和溫度變化。其可以根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)調(diào)整玻璃的透光度，以確保室內(nèi)光線的均衡和舒適度。因此，在陽(yáng)光強(qiáng)烈的時(shí)候，玻璃會(huì)自動(dòng)調(diào)暗，以減少過(guò)多的光線進(jìn)入室內(nèi)，避免眩光和過(guò)熱。而在天氣陰沉的時(shí)候，玻璃會(huì)自動(dòng)增加透光度，提供更多的自然光線[3]。

5）效 果。SageGlass 的 應(yīng) 用 在Science Museum of Minnesota 取得了顯著的效果。游客在博物館內(nèi)部可以享受舒適的室內(nèi)光線，不會(huì)受到刺眼的強(qiáng)光影響。同時(shí)，由于玻璃的可調(diào)光特性，室內(nèi)的展品也能得到適當(dāng)?shù)恼彰?，提升了展覽的質(zhì)量和觀賞性。此外，SageGlass 的應(yīng)用還使得博物館內(nèi)部的溫度得到更好的控制，有助于節(jié)能和提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性。

1.2 自修復(fù)材料

自修復(fù)材料是一種具有自愈合能力的材料，能夠在受損后自動(dòng)進(jìn)行修復(fù)。在建筑中，這種材料可以延長(zhǎng)建筑材料的使用壽命，減少維護(hù)和修復(fù)成本[4]。例如，混凝土中的微生物修復(fù)技術(shù)可以通過(guò)微生物的作用，填補(bǔ)混凝土中的微小裂縫，保持結(jié)構(gòu)的完整性。下面將以自修復(fù)混凝土為例進(jìn)行分析：

1）研究背景。Delft University of Technology 的研究人員在建筑材料領(lǐng)域進(jìn)行了一項(xiàng)引人注目的研究，開(kāi)發(fā)出一種具有自修復(fù)能力的混凝土材料。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)旨在改善建筑材料的耐久性和可維護(hù)性，減少因裂縫而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞。

2）技術(shù)原理。研究人員將一種特殊的細(xì)菌菌種嵌入混凝土中，同時(shí)提供合適的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。這些細(xì)菌具有礦化作用，可以在接觸到水和氧氣的條件下生成礦化物，類似于自然環(huán)境中的礦物沉積過(guò)程。

3）應(yīng)用過(guò)程。當(dāng)混凝土發(fā)生微小裂縫時(shí)，水和氧氣可以滲透到裂縫中。在這種情況下，嵌入在混凝土中的細(xì)菌會(huì)被激活，開(kāi)始生長(zhǎng)并產(chǎn)生礦化物。這些礦化物會(huì)填充裂縫，類似于傷口的愈合過(guò)程。

4）優(yōu)勢(shì)。第1，可以延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，減少了常規(guī)維護(hù)和修復(fù)的需求，降低了維護(hù)成本。第2，可以減少建筑材料的浪費(fèi)，促進(jìn)可持續(xù)建筑實(shí)踐。第3，自修復(fù)過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，減少了潛在的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。

5）實(shí)際應(yīng)用。自修復(fù)混凝土在實(shí)際建筑中的應(yīng)用潛力巨大。例如，橋梁、道路、地下設(shè)施等容易受到裂縫影響的建筑結(jié)構(gòu)都可以使用這種自修復(fù)混凝土。

1.3 智能隔熱材料

智能隔熱材料可以根據(jù)外界溫度變化調(diào)整其隔熱性能，從而減少室內(nèi)與室外的能量交換[5]。這種材料可以應(yīng)用在建筑的外墻、屋頂?shù)炔课?，能夠提高建筑的能效。以Aerogel 為例，分析Aerogel 在北極科研站的隔熱應(yīng)用，具體為：

1）背景。Aerogel 是一種內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充滿氣體，外表呈現(xiàn)固體狀密度極低的多孔材料，具有良好的隔熱性能和吸震性能。

2）應(yīng)用案例。北極科研站是極端寒冷環(huán)境下的重要研究設(shè)施，對(duì)于隔熱材料的要求極高。Aerogel 作為一種創(chuàng)新的隔熱材料，在該科研站中得到了廣泛應(yīng)用。

3）應(yīng)用效果。Aerogel 在北極科研站的應(yīng)用顯著改善了建筑的保溫性能。在極寒的氣候條件下，建筑內(nèi)部的溫度相對(duì)穩(wěn)定，不易受外界溫度的影響。這不僅提高了工作和生活環(huán)境的舒適性，還降低了供暖和制冷的能源消耗。此外，應(yīng)用Aerogel 材料還有助于減輕建筑的重量。

4）創(chuàng)新價(jià)值。北極科研站通過(guò)采用Aerogel，不僅提高了建筑的能效和舒適性，還在一定程度上減少了運(yùn)營(yíng)成本。這種創(chuàng)新應(yīng)用為其他極端環(huán)境下的建筑和設(shè)施提供了有益的借鑒，同時(shí)也促進(jìn)了Aerogel 等智能材料在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1.4 智能聲學(xué)材料

智能聲學(xué)材料可以根據(jù)聲波的頻率和強(qiáng)度來(lái)調(diào)整其聲學(xué)特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音的控制。這種材料在音頻室、劇院等需要精確聲學(xué)環(huán)境的場(chǎng)所有廣泛應(yīng)用。以Kinetic Acoustic Panel 為例進(jìn)行分析，具體為：

1）背景。聲學(xué)環(huán)境在音頻室、劇院、會(huì)議室等場(chǎng)所中至關(guān)重要，它影響著聲音的傳播、反射、吸收及衰減，從而直接影響用戶的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。在過(guò)去，通常使用靜態(tài)的聲學(xué)材料和設(shè)計(jì)來(lái)改善聲學(xué)環(huán)境，但這種方法往往無(wú)法適應(yīng)不同活動(dòng)或音頻需求的變化。

2） 解 決 方 案。Kinetic Acoustic Panel 是一種智能聲學(xué)材料，具有可移動(dòng)性和可調(diào)性，可以根據(jù)不同的聲學(xué)需求調(diào)整其位置和朝向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音的精確控制。

3） 工 作 原 理。Kinetic Acoustic Panel 的工作原理類似于一個(gè)可移動(dòng)的墻面，它可以在不同位置進(jìn)行調(diào)整。面板內(nèi)部集成了先進(jìn)的聲學(xué)技術(shù)，包括吸音材料、反射板等。通過(guò)調(diào)整面板的位置、角度和朝向，可以改變聲音在房間內(nèi)的傳播路徑和反射方式，從而實(shí)現(xiàn)聲音的定向、聚焦、擴(kuò)散等不同效果。

4）應(yīng)用示例。以劇院為例，不同類型的演出需要不同的聲學(xué)環(huán)境。在演奏時(shí)，需要良好的音響反射和吸音效果，以展現(xiàn)音樂(lè)的音色和音質(zhì)。而在話劇演出時(shí)，需要良好的聲音擴(kuò)散效果，以確保各個(gè)位置的觀眾都能聽(tīng)到清晰的對(duì)白。Kinetic Acoustic Panel可以根據(jù)不同的演出類型，實(shí)現(xiàn)位置、朝向、角度的自動(dòng)調(diào)整，以獲得最佳的聲學(xué)效果。

2 新型建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用

新型建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用為建筑行業(yè)帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。下面將詳細(xì)說(shuō)明抗震結(jié)構(gòu)、可展縮結(jié)構(gòu)、模塊化結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用。

2.1 抗震結(jié)構(gòu)

抗震結(jié)構(gòu)是一種針對(duì)地震等自然災(zāi)害的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在減少建筑在地震時(shí)的受損程度，保護(hù)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。這種結(jié)構(gòu)通常采用一系列設(shè)計(jì)策略和材料，以確保建筑在地震中具有良好的耐久性和變形能力。

下面將以中國(guó)臺(tái)北101 大樓的抗震技術(shù)為例進(jìn)行分析：

1）背景。中國(guó)臺(tái)北101 大樓位于臺(tái)灣省臺(tái)北市，是世界上最高的獨(dú)立建筑，其高度達(dá)到508 m。由于臺(tái)灣省位于地震帶，頻繁面臨地震風(fēng)險(xiǎn)，因此，在設(shè)計(jì)和建造臺(tái)北101 大樓時(shí)，抗震技術(shù)成為了重要的考慮因素。為了確保大樓在地震時(shí)的安全性能，臺(tái)北101 大樓采用了多種抗震技術(shù)，其中最顯著的就是位于大樓頂部的“阻尼球”。

2）阻尼球的原理。阻尼球是一種巨大的球狀減震器，位于大樓的頂部。它的作用類似于一個(gè)擺錘，可以在地震發(fā)生時(shí)對(duì)大樓的擺動(dòng)產(chǎn)生抑制作用，從而降低建筑的震動(dòng)幅度，提高抗震性能。阻尼球通過(guò)在地震時(shí)與建筑產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，吸收和分散地震所帶來(lái)的能量，減少地震對(duì)建筑的影響。

3）工作原理。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，大樓會(huì)受到地震波的作用而產(chǎn)生擺動(dòng)。阻尼球作為一個(gè)重量較大的物體，會(huì)產(chǎn)生慣性力，與建筑相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而在一定程度上抵消建筑的擺動(dòng)。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)將地震產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為阻尼球的動(dòng)能，使得建筑的擺動(dòng)減緩。

4）效果和優(yōu)勢(shì)。阻尼球的引入使得中國(guó)臺(tái)北101 大樓在發(fā)生地震時(shí)能夠更好地控制建筑的震動(dòng)幅度，保護(hù)了建筑的完整性和安全性。這種抗震技術(shù)在中國(guó)臺(tái)北101 大樓的設(shè)計(jì)中起到了至關(guān)重要的作用，使得這座高聳的建筑能夠在頻繁的地震環(huán)境中保持穩(wěn)定。

2.2 可展縮結(jié)構(gòu)

可展縮結(jié)構(gòu)是根據(jù)使用需求進(jìn)行自由展開(kāi)或收縮的建筑結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)景下可以改變建筑的形態(tài)和功能，從而提高了空間的靈活性和多功能性，主要應(yīng)用于建筑、橋梁、體育場(chǎng)館等領(lǐng)域，本文以鳥巢為例進(jìn)行了如下分析：

1）背景。鳥巢位于北京市奧林匹克公園內(nèi)，是2008 年夏季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的主要場(chǎng)館之一。鳥巢以其獨(dú)特的外觀和先進(jìn)的結(jié)構(gòu)技術(shù)成為奧運(yùn)會(huì)的標(biāo)志性建筑。

2）特點(diǎn)。鳥巢最引人注目的特點(diǎn)之一是其鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的智能展開(kāi)和收縮功能。這個(gè)屋蓋由數(shù)千塊不同大小的鋼梁和鋼板構(gòu)成，可以根據(jù)不同的天氣條件和活動(dòng)需求，調(diào)整室內(nèi)外的開(kāi)放程度。

3）工作原理。鳥巢的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用了一種類似“蓮花”式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)使用先進(jìn)的液壓系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)，屋蓋上的蓮花瓣?duì)畈糠挚梢酝瑫r(shí)展開(kāi)或閉合，就像一朵蓓蕾般綻放。這意味著在晴朗的天氣，屋蓋可以完全展開(kāi)，讓陽(yáng)光照射到體育場(chǎng)內(nèi)。而在惡劣天氣或需要遮蔽時(shí)，屋蓋可以緊閉，保護(hù)觀眾免受風(fēng)雨的影響。

4）應(yīng)用效果。鳥巢的智能展開(kāi)和收縮屋蓋功能為體育賽事、演出和其他活動(dòng)提供了極大的靈活性。這使得體育場(chǎng)可以適應(yīng)不同的活動(dòng)類型和氣候條件，為觀眾和參與者創(chuàng)造了更加舒適和安全的環(huán)境。此外，鳥巢還被廣泛用于各種國(guó)內(nèi)外大型活動(dòng)，如音樂(lè)會(huì)、慶典、展覽等，成為城市形象的象征之一。

2.3 模塊化結(jié)構(gòu)

模塊化結(jié)構(gòu)是通過(guò)將建筑分解為獨(dú)立的模塊，在工廠中進(jìn)行制造和組裝，可實(shí)現(xiàn)建筑施工的標(biāo)準(zhǔn)化和快速化。這種方法可以減少浪費(fèi)，縮短工程周期，提高施工質(zhì)量。以克利普塔宮的模塊化建筑為例進(jìn)行分析：

1）背景?？死锬妨謱m位于莫斯科市中央行政區(qū)特維爾區(qū)，是一組建筑群，用途包括辦公空間、商業(yè)空間和餐飲設(shè)施。為了對(duì)這座建筑進(jìn)行翻新和擴(kuò)建，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用了模塊化建筑的創(chuàng)新方法，以提高建筑施工效率、減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，并在限定的工期內(nèi)完成項(xiàng)目。

2）模塊化建筑?？死账m的翻新擴(kuò)建采用了模塊化建筑的原則，即將建筑分解為一系列標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，這些模塊可以在工廠中預(yù)制，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。這種方法可以大大縮短建筑施工周期，減少現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)城市環(huán)境的干擾，同時(shí)保證建筑質(zhì)量和一致性。

3）優(yōu)勢(shì)：第1，高效施工。模塊化建筑允許在施工現(xiàn)場(chǎng)和制造工廠之間分工合作。模塊在工廠內(nèi)預(yù)制，同時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施的準(zhǔn)備，這樣可以減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，加快項(xiàng)目進(jìn)度。第2，質(zhì)量控制。在工廠內(nèi)進(jìn)行模塊制造可以更好地控制建筑材料和工藝，確保每個(gè)模塊的質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。第3，環(huán)境友好。模塊化建筑減少了現(xiàn)場(chǎng)施工產(chǎn)生的廢棄物和能源消耗，從而減少了對(duì)環(huán)境的影響。第4，減少干擾。在城市中心進(jìn)行施工常常會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和交通產(chǎn)生影響。模塊化建筑可以減少對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的干擾，縮短建筑工程施工對(duì)城市的影響時(shí)間。

3 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

3.1 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為：第1，提升建筑功能性。智能建筑材料和新型建筑結(jié)構(gòu)通過(guò)其獨(dú)特的性能，賦予建筑更多功能?？烧{(diào)光材料、智能隔熱材料等使建筑能夠根據(jù)不同需求自動(dòng)調(diào)整，提供更舒適的室內(nèi)環(huán)境。第2，改善生活品質(zhì)。運(yùn)用智能建筑材料和新型建筑結(jié)構(gòu)，可以創(chuàng)造更健康、舒適的生活環(huán)境。例如，應(yīng)用智能聲學(xué)材料能夠降低噪音污染，為人們提供更寧?kù)o的居住體驗(yàn)。

3.2 應(yīng)用挑戰(zhàn)

應(yīng)用挑戰(zhàn)主要有以下4 個(gè)方面：第1，技術(shù)成熟度。智能建筑材料和新型建筑結(jié)構(gòu)的研發(fā)和應(yīng)用需要足夠的時(shí)間來(lái)確保其穩(wěn)定性和可靠性。新材料和結(jié)構(gòu)的技術(shù)成熟度可能需要經(jīng)歷長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，以確保其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)符合預(yù)期。第2，成本問(wèn)題。智能建筑材料和新型建筑結(jié)構(gòu)的制造和應(yīng)用成本可能較高，這在一定程度上限制了它們的推廣。降低成本、提高材料和結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)可行性是一個(gè)需要解決的重要問(wèn)題。第3，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。新型建筑材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用缺乏一套完善的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這可能導(dǎo)致應(yīng)用時(shí)的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)。制定相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)需要跨學(xué)科的合作和大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第4，維護(hù)和管理。智能建筑材料和新型建筑結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中可能需要特殊的維護(hù)和管理，這對(duì)于維持其性能至關(guān)重要。如何制訂有效的維護(hù)計(jì)劃是一個(gè)挑戰(zhàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文綜合分析了智能建筑材料與新型建筑結(jié)構(gòu)在工程建筑中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)其應(yīng)用、優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向的探討，可以看出這些創(chuàng)新正逐步改變著建筑行業(yè)的面貌，為建筑的可持續(xù)發(fā)展提供了新的動(dòng)力和可能性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能建筑材料與新型建筑結(jié)構(gòu)將在未來(lái)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。